Konsepti viljelytoimen tulevaisuuden tiedonhallinnasta
Jere Kaivosoja1), Raimo Linkolehto1), Frederick Teye1) ja Raimo Nikkilä2)
1)MTT, Vakolantie 55, 03400 Vihti, jere.kaivosoja@mtt.fi
2)Aalto-yliopisto, Otaniementie 17, PL 15500, 00076 Aalto, rnikkila@cc.hut.fi
Tiivistelmä
Tieto- ja viestintäteknologioiden hyödyntäminen on osoittautunut hyväksi keinoksi saavuttaa peltoviljelylle asetettuja kehitystavoitteita. Siinä keskeisessä roolissa ovat maatilan tiedonhallintajärjestelmät (FMIS), päätöksenteon avusteisuus, sekä täsmäviljelyn vaatima infrastruktuuri. Nykyään maatilan tiedonhallintajär- jestelmä nähdään koostuvan useista eri osioista, joista osa on kokonaan ulkopuolisten palveluntarjoajien toteuttamia. Nämä eri osiot muodostavat puumaisen hierarkisen rakenteen. Tätä rakennetta on yleisellä tasolla tutkittu, mutta käytännön toteutukset ovat vielä puuttuneet. Tässä tutkimuksessa esitetään esimer- kinomaisesti tulevaisuuden maatilan web-pohjaista tiedonhallintaa yksittäisen viljelyprosessin näkökulmas- ta. Loimme vaiheittain toimivat prototyypit tulevaisuuden viljelytoimista. Ensimmäiseksi muodostimme yhtenäisen kokonaisuuden perustuen kaikkiin tyypillisiin peltoviljelytoimenpiteisiin ja niiden vaatimiin pääprosesseihin. Tämän jälkeen suunnittelimme mahdollisimman haasteelliset mutta realistiset tulevaisuu- den viljelytoimia tukevat prosessiketjut, joiden perusteella rakensimme prototyypin lisälannoituksen sekä kasvinsuojeluruiskutuksen toiminnallisen suunnittelun, toteutuksen sekä arvioinnin osalta. Prototyyppi si- sälsi seuraavat vaiheet: ensin alueellisesti vaihteleva työtehtävä suunnitellaan käyttäen hyväksi peltolohkon paikkakohtaisia historiatietoja ja kasvukauden aikaisia tutkimustuloksia. Suunniteltu työtehtävä lähetetään palveluntarjoajalle, joka automaattisesti tarkistaa työtehtävän määräystenmukaisuuden ja huomauttaa mah- dollisista poikkeamista. Tämän jälkeen hyväksytty työtehtävä ladataan työkoneyhdistelmän käytettäväksi.
Työ voi alkaa, kun palvelimelta saatu säätieto on sopiva. Mikäli työ joudutaan olosuhteiden muutoksen takia keskeyttämään, keskeytynyt työ lähetetään palvelimelle. Uusi työtehtävä lasketaan muuttuneiden sää- töarvojen ja jo toteutuneen työn perusteella. Työkone jatkaa työtään uusien säätöarvojen mukaan. Työn loputtua kerätty data lähetetään palvelimelle, jossa työstä lasketaan tarkat toteutumakartat. Toteutuma hy- väksytetään vielä määräystenmukaisuuden tarkistavalla palveluntarjoajalla. Hyväksytty työ siirtyy lohkokir- janpitoon ja antaa tulevaisuudessa tarkkaa ja tärkeää tietoa viljelyprosessin onnistumisesta. Esitelty konsepti osoittaa, että web-pohjaisella puurakenteisella arkkitehtuurilla voidaan toteuttaa monipuolisia tulevaisuuden vaatimukset täyttäviä viljelytoimia. Näin mahdollistetaan useiden eri palveluntarjoajien hyödyntäminen samalla keventäen viljelijän työtaakkaa. Suunnitellun ja toteutuneen työn oikeellisuus saadaan osoitettua jäljitettävyyttä ja läpinäkyvyyttä varten. Parhaimmillaan aineistojen monipuolinen saatavuus ja rajapintojen yhtenevyys mahdollistavat tehokkaamman ja kokonaan uudenlaisen tietämyksentuottamisen koko viljely- prosessissa.
Nykypäivän peltoviljely kohtaa monenlaisia haasteita. Tuotantokustannuksia pitäisi saada laskettua, sekä sadot ja niiden laadut pitäisi maksimoida samalla minimoiden ympäristöpäästöt. Tieto- ja viestintäteknolo- gioiden hyödyntäminen on osoittautunut hyväksi keinoksi saavuttaa peltoviljelylle asetettuja tavoitteita (Pesonen ym. 2011). Keskeisessä roolissa ovat maatilan tiedonhallintajärjestelmät (FMIS), päätöksenteon avusteisuus, sekä täsmäviljelyn vaatima infrastruktuuri. On olemassa paljon yksittäisiä näitä tarkoituksia palvelevia sovelluksia tai sovelluskokonaisuuksia, mutta niiden tuottamien aineistojen hyödyntäminen koko viljelyprosessissa on osoittautunut haasteelliseksi. Lisäksi koko viljelyprosessin kattaminen yhden palvelun- tarjoajan toimesta on havaittu epärealistiseksi. Nykyään maatilan tiedonhallintajärjestelmät nähdään yhtenä järjestelmänä muiden joukossa, ei niinkään yhtenä massiivisena kokonaisuutena (Nikkilä ym. 2010). Web- pohjaisuuden on katsottu vastaavan parhaiten asetettuihin vaatimuksiin. Eurooppalaisessa yhteistyössä to- teutetun Future Farm projektin johtopäätöksissä (Blackmore ja Apostolidi, 2011) FMIS-rakenne määritel- tiin seuraavasti: Maatilan tiedonhallintajärjestelmä koostuu kokoelmasta eri sovelluksia, jotka riippuvat toisistaan. Sovellukset muodostavat puumaisen hierarkisen rakenteen, jossa toisistaan riippumattomat ele- mentit muodostavat puun lehdet. Näitä elementtejä hyödyntävät sovellukset ovat solmuja, jotka vuorostaan toimivat seuraavien sovellusten lehtinä. Järjestelmän lopputuotteen tuottava sovellus toimii juurena. Puun tarkempi rakenne riippuu täysin käytettävistä sovelluksista ja sovelluskehityksestä. Eri sovellukset verkottu- vat keskenään ja raja FMIS-järjestelmän ja ulkopuolisen palvelun välillä on häilyvä. Tämän geneerisyyden johdosta eri sovellusten rajapinnat täytyy olla tarkoin määriteltyjä, avoimia, joustavia sekä harmonisoituja.
Wiebensohn ym. (2011) määrittivät sopivat avoimet tiedonsiirtoformaatit eri palveluiden välille: paikkatie- dot GML:ssä (geography markup language), sekä maatalouden attribuuttitiedot agroXML:ssä.
Esitelty tiedonhallintajärjestelmä jää melko abstraktille tasolle. Tarvitaan koemuotoisia konkreettisia sovellusesimerkkejä, kuinka kyseisen mallin mukaan tulevaisuuden viljelytoimen tiedonhallinta toteutettai- siin. Tässä tutkimuksessa loimme vaiheittain toimivat prototyypit tulevaisuuden viljelytoimista, jotka sa- malla haastoivat monipuolisesti tarvittavan tiedonhallintainfrastruktuurin. Tutkimuksessa keskityimme työ- tehtävän toiminnalliseen suunnitteluun, toteutukseen ja arviointiin lisälannoituksen sekä kasvinsuojeluruis- kutuksen osalta, mutta sama tiedonhallintamalli koskee peltoviljelyä kokonaisuudessaan.
Aineisto ja menetelmät
Sørensen ym. (2009) muodostivat tietovirtakaaviot tulevaisuuden eri viljelytoimille ja niihin liittyville pro- sesseille. Tietovirtakaavioista valitsimme tarkasteluumme kaksi haasteellisinta viljelytoimea eli kasvinsuo- jeluruiskutuksen sekä lisälannoituksen. Näiden viljelytoimien prosesseista muodostimme yhteisen pääpro- sessikaavion (kuva 2). Jonka tarkoituksena oli osoittaa, mitä erityyppisiä prosesseja viljelytoimeen voi liit- tyä. Tämän jälkeen testasimme kaavion kattavuuden lopuilla tavanomaisilla peltotoimilla, eli muokkaustyöl- lä, kylvöllä, kastelulla sekä puinnilla.
Lohkon sijainti
Olosuhteiden kartoitus
Olosuhteiden analysointi
Työtehtävän luonti Tilan tiedot
Työtehtävän hyväksyntä Peltoviljelytoimenpide
Tehdyn työn analysointi Työn hyväksyntä
Yleiset olosuhteet Alueellinen tilannearvio
Kuva 2. Viljelytoimen suunnitteluun, toteutukseen ja arviointiin liittyvät pääprosessit.
Kaikki tyypilliset viljelytoimet ja niiden vaatimat pääprosessit seuraavat yllä olevaa kaaviota (kuva 2.). Vil- jelytoimen toiminnallisen suunnittelun lähtökohtana on yhtenäinen käsitys käsiteltävän peltolohkon sijain- nista, koosta ja ulottuvuuksista. Ensimmäiseksi aloitetaan työtehtävän suunnittelu. Tähän voidaan tarvita eritasoista tietoa tilan lohkokirjanpidosta, pellon havaituista olosuhteista, alueellisia tilannearvioita, sekä yleisempiä lohkon sijaintiin liittyviä tilapäisiä tai pysyviä tietoja. Luotu työtehtävä hyväksytään, jonka jäl- keen itse peltotyö suoritetaan. Tämä työ taltioidaan ja hyväksytään, sekä lopuksi analysoidaan koko viljely- prosessin näkökulmasta.
Tämän jälkeen yhdessä eurooppalaisen asiantuntijaryhmän kanssa keräsimme uusia mahdollisia in- novaatioita sekä jo toteutettuja suljettuja viljelyn kokonaisprosessia palvelevia palveluita. Tähän pohjaan perustuen kokosimme futuristisen Tulokset-kappaleessa esiteltävän geneerisen prototyypin, joka kattaa lisälannoituksen sekä kasvinsuojeluruiskutuksen toiminnallisen suunnittelun, toteutuksen sekä arvioinnin tiedonhallinnan näkökulmasta.
Tulokset
Käsiteltävän peltolohkon rajat saadaan viranomaisen tarjoaman kyselypalvelun WFS (web feature service) rajapinnan kautta käyttöön. Näin varmistetaan lähtöaineiston määräystenmukaisuus sekä yhtenevyys. Olo- suhteiden kartoitus toteutetaan kahdella eri tavalla: ilmakuvauksella sekä kasvustonäytteillä. Ilmakuvaus
palvelun sujuvuuden. Palvelu voi olla joko aktiivinen tai passiivinen, ja tietosisältö on käsiteltävää pelto- lohkoa koskevaa attribuuttitietoa. Tietojen avulla voidaan mm. valita torjunta-aineita ja ajoittaa toimenpi- teen ajankohtaa. Yleiset olosuhteet keskittyvät kumulatiiviseen säähän, nykyiseen säähän, sekä sääennustee- seen. Näillä tiedoilla tarkennetaan lähinnä myös luotavan työtehtävän ajoitusta.
Työtehtävä luodaan, kun kaikki tarvittava tieto on saatavilla. Suunniteltu työtehtävä lähetetään palve- luntarjoajalle GML-muodossa. Palveluntarjoaja tarkistaa automaattisesti työtehtävän määräystenmukaisuu- den ja huomauttaa mahdollisista hyvien viljelykäytäntöjen poikkeamista. Palvelu palauttaa tiedon joko hy- väksynnästä, tai tiedon siitä, mistdä säännöstä poiketaan. Hyväksytty työtehtävä ladataan työkoneen ISO 11783:n (ISOBUS) kaltaiseen tehtäväohjaimeen (TC). Työ voi alkaa, kun palvelimelta saatu säätieto on vaatimusten mukainen. Tehtäväohjain lataa WMS-palvelun (web Map Sevice) kautta sopivan taustakartan (kuva 3).
Kuva 3. Kuva tehtäväohjaimen näytöstä.
Työ joudutaan olosuhteiden muutoksen takia keskeyttämään (lannoite loppuu, ja jatketaan toisenlaisella lannoitusseoksella). Keskeytyneestä työstä lasketaan sen kattama alue, ja tämä lähetetään vektorimuodossa palveluntarjoajalle, joka vuorostaan laskee uuden työtehtävän muuttuneiden säätöarvojen ja jo toteutuneen työalan perusteella. Sekä tiedonsiirron että laskennan täytyy tapahtua muutaman minuutin aikana. Seuraa- vaksi Työkone jatkaa työtään uusien säätöarvojen mukaan. Työn loputtua kerätty data lähetetään kokonai- suudessaan palveluntarjoajalle, joka laskee yhdistellystä työstä tarkan toteutumakartan eri attribuuteille (kuva 4), sekä laskee lohkokohtaiset summatut tiedot.
Kuva 4. Lannoituksessa levitetyn typen, fosforin sekä kaliumin levitysmäärät toteumakarttoina.
Lohkokohtaiset tiedot hyväksytetään vielä määräystenmukaisuuden tarkistavalla palveluntarjoajalla. Lopuk- si hyväksytty työ siirtyy lohkokirjanpitoon, jossa se on osa viljelyn onnistumisen arviointiin käytettävää aineistoa. Toteumakarttaa voidaan hyödyntää mm. 1) arvioidaan kyseisen viljelytoimen onnistumista, 2) määritellään tarpeet lisätoimille, 3) luodaan uusia työtehtäviä, 4) arvioidaan viljelyprosessia kokonaisuudes- saan, 5) vertaillaan eri peltolohkoja, sekä 6) määritellään uusia kehitysmahdollisuuksia ja vaatimuksia.
Johtopäätökset
Esitelty konsepti osoittaa, että web-pohjaisella puurakenteisella arkkitehtuurilla voidaan toteuttaa monipuo- lisia tulevaisuuden vaatimukset täyttäviä viljelytoimia. Näin mahdollistetaan useiden eri palveluntarjoajien hyödyntäminen samalla keventäen viljelijän työtaakkaa. Suunnitellun ja toteutuneen työn oikeellisuus saa- daan osoitettua jäljitettävyyttä ja läpinäkyvyyttä varten. Parhaimmillaan aineistojen monipuolinen saatavuus ja rajapintojen yhtenevyys mahdollistavat tehokkaamman ja kokonaan uudenlaisen tietämyksentuottamisen koko viljelyprosessissa. Ongelmakohtina ovat kuitenkin eri prosessien automatisointi ja rajapintojen tarkka määrittäminen. Lisäksi geneerisyyden säilyttäminen eri tietojen ja tietolähteiden yhtenäistämisessä, erilais- ten sääntöjen ja parhaiden käytäntöjen numeeristaminen, tiedon omistamisen ristiriidat, riippuvuus tietolii- kenneyhteyksistä, sekä vastuun hajauttamisen tuomat ongelmat.
Kirjallisuus
Blackmore, S. & Apostolidi, K., 2011. Future Farm Project Final Report:
http://www.futurefarm.eu/system/files/FFD8.9_Final_Report_4.1_Final.pdf ( 30.11.2011)
Nikkilä, R., Seilonen, I. & Koskinen, K., 2010. Software architecture for farm management information systems in precision agriculture. Computers and Electronics in Agriculture. v70 i2.
328-336. 14
Pesonen, L., Ronkainen, A. & Sørensen, C. 2011. Final report and documentation specification of FMIS, FutureFarm deliverable 3.7.: http://www.futurefarm.eu/system/files/FFD3.7_Final_Rep_Doc_Spec_Final_0.pdf (30.11.2011)
